基于大容量高頻變壓器的10kV柔性開閉所供電拓撲及應用場景研究

國網(wǎng)上海青浦供電公司 肖遠兵 周 珺 顏華敏 盧婧婧

電氣設備的升級是新型電力系統(tǒng)的重要內容之一。近年來，傳統(tǒng)變壓器一系列的自身缺陷在配電網(wǎng)系統(tǒng)的應用中逐漸暴露。相對于傳統(tǒng)變壓器，高頻電力電子變壓器基于柔性電力電子技術具備有功、無功獨立可控，運行方式靈活的特征，具備解決城市電網(wǎng)分區(qū)運行區(qū)域供電能力不足、無法有效均衡負載、區(qū)域可靠性不足等問題的能力，對新型電力系統(tǒng)的適應性更強，我國亟須將高頻電力電子變壓器運用于電力系統(tǒng)中。

隨著電力電子變壓器不斷向大容量高頻發(fā)展，目前大容量高頻變壓器已可示范運用于10kV 開閉所中。在常規(guī)供電模式下，同一座開閉所的多座變壓器間由于并環(huán)點在不同電壓幅值、相位下強行并環(huán)，會產(chǎn)生較大環(huán)流，因此大多采用設置合環(huán)點但運行時不合環(huán)運行的供電模式，在這種供電拓撲結構下，即使采用高頻變壓器開閉所中的多座變壓器不具備柔性互聯(lián)、功率互濟功能。因此，針對高頻變壓器的技術特點需要對10kV 柔性開閉所重新進行供電拓撲設計。

對于采用大容量高頻變壓器的變電站，可通過供電拓撲的設計達到不同應用場景的功能實現(xiàn)目的。本文對基于大容量高頻變壓器對10kV 柔性開閉所供電拓撲及應用場景進行研究。

1 高頻電力電子變壓器原理及應用于10kV 開閉所的優(yōu)勢

1.1 高頻電力電子變壓器原理概述

高頻變壓器在供電系統(tǒng)中，通常結合電力電子技術形成高頻電力電子變壓器（PET）實現(xiàn)靈活的變電功能，其拓撲結構可以根據(jù)電能變換的次數(shù)分為三類[1]：單級型、雙級型和三級型，其中雙級型結構又可分為具有高壓直流環(huán)節(jié)和具有低壓直流環(huán)節(jié)兩種，如圖1所示。

圖1 高頻電力電子變壓器拓撲結構分類

單級型PET 的工作原理為：輸入的工頻交流電壓在高頻變壓器的原邊直接被調制為高頻交流電壓，耦合到副邊后再直接被還原為工頻交流電壓。

雙級型PET 結構可分為具有高壓直流環(huán)節(jié)和具有低壓直流環(huán)節(jié)兩種。其中，具有高壓直流環(huán)節(jié)PET 的工作原理是將工頻高壓交流電整流為高壓直流后，經(jīng)過含有高頻降壓變壓器的隔離型逆變器轉換為低壓交流。具有低壓直流環(huán)節(jié)的PET 工作原理相似，只是先通過隔離型整流器將工頻高壓交流電轉換為低壓直流，再逆變?yōu)榈蛪航涣鳌?/p>

三級結構PET 的工作原理為：工頻交流電壓經(jīng)過AC/DC 變換器整流后變?yōu)橹绷鳎偻ㄟ^一個含有高頻變壓器的DC/DC 變換器進行直流變壓，最后經(jīng)DC/AC 逆變?yōu)樗璧慕涣麟妷骸?/p>

其中，三級結構PET 結構的PET 變換次數(shù)多，結構復雜，但其良好的控制特性可使PET 實現(xiàn)的功能更多，應用的范圍更廣。而且與單級結構相比，三級型PET 具有的低壓直流環(huán)節(jié)可以整合能量存儲設備來提高PET 的穿越能力，并能為分布式發(fā)電的接入提供接口，也可為電動汽車等直流充電。

1.2 高頻變壓器在10kV 開閉所中的優(yōu)勢與作用

隨著對高頻變壓器研究，高頻變壓器的容量目前已達到1MVA 級別[2]，規(guī)模已達到10kV 變電站的一般容量規(guī)格，可應用于10kV 開閉所，相較于傳統(tǒng)變壓器，高頻變壓器具備更多技術優(yōu)勢，在10kV開閉所也能發(fā)揮更多作用，具體如下。

一是高頻變壓器的供電穩(wěn)定性高。高頻變壓器運行時，副邊電壓幅值不隨負載的變化而變化，其輸出提供更加穩(wěn)定的電能，還能靈活控制一次側功率因數(shù)。在10kV 開閉所中，可通過控制高頻變壓器一次側功率因數(shù)實現(xiàn)調節(jié)多變壓器負載率的目的。

二是高頻變壓器的供電質量有保證。高頻變壓器在變壓、隔離、傳輸電能的同時可以消除網(wǎng)側電壓波動、電壓波形失真等影響，可以保證原邊電壓電流和副邊電壓為正弦波，變壓器在負擔變換、隔離電壓的基礎功能下，承擔大部分諧波和無功補償工作，使系統(tǒng)網(wǎng)側電能質量得到充分的優(yōu)化和提升。在10kV 開閉所中，采用高頻變壓器能夠減少濾波器或無功補償器配置。

三是高頻變壓器方便交直流電氣設備的接入。高頻變壓器變流環(huán)節(jié)提供方便的交直流接口，既可以滿足傳統(tǒng)交流元件的并網(wǎng)，又可以適應多種交直流可控元件的接入。在10kV 開閉所中，采用高頻變壓器能夠方便光伏發(fā)電、風力發(fā)電和電動汽車等多種交直流元件接入，同時降低系統(tǒng)中交直流變換器配置規(guī)模。

2 10kV 開閉所供電拓撲結構研究

由于大容量高頻電力電子變壓器相比于傳統(tǒng)變壓器，造價略高且占地面積略大，在進行供電拓撲結構設計時，出于控制成本和占地面積的角度考慮，10kV 開閉所通常采用高頻電力電子變壓器與傳統(tǒng)變壓器配合的方式實現(xiàn)目標功能。

2.1 常規(guī)10kV 開閉所供電拓撲存在的問題

常規(guī)10kV 開閉所供電拓撲如圖2所示，正常運行時，2段10kV 母線分別為2段400V 母線供電。該供電拓撲存在的問題為：即使采用高頻變壓器，在正常運行情況下母線間仍無法進行功率交換，另外在為直流負荷供電時，需額外配備AC/DC 變換器。

圖2 常規(guī)10kV 開閉所供電拓撲

該供電拓撲不適用于高頻變壓器充分發(fā)揮其技術作用，僅對區(qū)域供電可靠性要求較低且無負載均衡需求（如站內多臺變壓器負載率均較低）的地區(qū)，出于節(jié)省投資成本的目的才具備一定應用價值。

2.2 低壓交流側母線互聯(lián)的10kV柔性開閉所供電拓撲

低壓交流側母線互聯(lián)的10kV 柔性開閉所供電拓撲如圖3所示，通過調節(jié)高頻變壓器的功率因數(shù)，可以實現(xiàn)2個變壓器的功率互濟，圖中綠色與藍色箭頭分別2個變壓器的功率互濟方向。將大容量高頻變壓器運用于10kV 開閉所后，為保證系統(tǒng)運行時多源點的頻率相角能夠匹配合環(huán)運行，可將傳統(tǒng)交流變壓器產(chǎn)生的AC400V 作為主參考點，利用高頻變壓器跟蹤調節(jié)能力，根據(jù)此電壓來進行主從運行模式運行，最終實現(xiàn)合環(huán)。該供電拓撲的優(yōu)勢在于實現(xiàn)400V 側2段母線間功率互補互濟，提高了開閉所供電可靠性，同時為直流負荷供電時，可利用高頻變壓器直流側直接為負荷供電，無須配備變換器。

圖3 低壓交流側母線互聯(lián)的10kV 柔性開閉所供電拓撲

2.3 低壓交直流側柔性互聯(lián)的10kV柔性開閉所供電拓撲

低壓交直流側柔性互聯(lián)的10kV 柔性開閉所供電拓撲如圖4所示，將大容量高頻變壓器運用于10kV 開閉所后，將高頻變壓器750V 直流側與傳統(tǒng)變壓器400V 交流側通過雙向變流器進行連接，實現(xiàn)交直流側柔性互聯(lián)、功率互濟。該供電拓撲的優(yōu)勢在于不僅實現(xiàn)了2臺變壓器的功率互濟，同時直流側電源也可以通過雙向變流器/高頻變壓器為2段400V 母線靈活供電。劣勢在于相較低壓交流側母線互聯(lián)的10kV 柔性開閉所供電拓撲額外配備雙向變換器，投資成本最高。該供電拓撲適用于對區(qū)域供電可靠性要求較高，直流側新能源電源規(guī)模較高，有負載均衡需求的情況。

圖4 低壓交直流側柔性聯(lián)的10kV 柔性開閉所供電拓撲

3 10kV 開閉所供電拓撲的應用場景

通過分析10kV 開閉所供電拓撲的優(yōu)勢與劣勢，現(xiàn)對10kV 開閉所各應用場景的供電拓撲選擇進行分析。

3.1 城市大型商務區(qū)

城市大型商務區(qū)是城市的經(jīng)濟中心，該類地區(qū)對供電可靠性的要求較高，且區(qū)域內商場、綜合廣場等樓宇具備大量直流負荷，但由于該地區(qū)的樓宇呈多而密集的形式，故較難開展大規(guī)模的分布式電源項目。城市大型商務區(qū)適合采用低壓交流側母線互聯(lián)的10kV 柔性開閉所供電拓撲，能夠滿足該區(qū)域的高可靠性及直流負荷接入需求。

3.2 大型工業(yè)園區(qū)

大型工業(yè)園區(qū)是區(qū)域的生產(chǎn)中心，區(qū)域內通常包含大量工業(yè)廠房，工業(yè)廠房頂部的屋頂面積較大，適合開展分布式光伏項目，不少廠區(qū)也會配置一定規(guī)模的儲能用于為新能源電源的發(fā)電功率削峰填谷。大型工業(yè)園區(qū)適合采用低壓交直流側柔性互聯(lián)的10kV 柔性開閉所供電拓撲，在滿足高可靠性及直流負荷接入需求的情況下，助力新能源電源為區(qū)域內用戶靈活供電。

3.3 光儲充電站

在新能源汽車蓬勃發(fā)展的今天，充電基礎設施的建設也在逐步加快，在碳中和的大背景下，涵蓋“光伏+儲能+充電”的超級充電站備受地方政府青睞，項目的光伏、儲能及充電樁（直流負荷）通常均具有一定規(guī)模。光儲充電站適合采用低壓交直流側柔性互聯(lián)的10kV 柔性開閉所供電拓撲，在滿足高可靠性及充電接入需求的情況下使光伏的供電方式更加靈活。

綜上所述，本文提出兩種基于大容量高頻變壓器的10kV 柔性開閉所的供電拓撲，并對該兩種供電拓撲及10kV 開閉所常規(guī)供電拓撲的應用場景進行研究。研究結果表明，根據(jù)供電區(qū)域的可靠性、直流電源和負荷規(guī)模、負載均衡需求情況等因素，各類供電拓撲結構均存在適合的應用場景，本文解決了新型電力系統(tǒng)下10kV 開閉所的供電拓撲結構選擇的問題。